一、       引言

托卡马克是磁约束氦聚变试验装置，HT-7U核聚变装置将是用于研究先进的全超导托卡马克运行模式，它将能获得准稳态的、极长的、单零的或双零的全电流运行的等离子体^[1]。纵场结构系统是HT-7U装置的关键部件之一，它提供强大的环向磁场来约束高温等离子体。纵场系统是由十六个沿环向均布的D形超导线圈组成，D形纵场线圈高3.5米、宽2.5米，它的截面中心处的D形周长为9.18米。图.1是D形线圈的外形和截面图，线圈的导体是21.7mm x 21.7mm的方形结构，在导体外半迭法绕包0.5毫米厚的E型玻璃纤维带后，绕制11匝构成一饼，绕制过程中自然形成1毫米厚的匝间绝缘；每两饼间放置1毫米厚的环氧板，饼间形成2毫米厚的饼间绝缘；12饼放好后，整个线圈外面绕包8毫米厚的E型玻璃纤维带，以形成对地绝缘。从截面图上看，132根导体以11 x 12的矩阵排列，整个截面的尺寸为287.2mm x 252.4mm。纵场磁体采用CICC导体设计方案，超导材料为NbTi，采用超临界4.2K氦迫流冷却，该磁体放在材料为316LN不锈钢的线圈盒中。

磁体在使用过程中，受到极其严酷的机电应力、交变冷热冲击应力和辐照，为了保证纵场磁体的使用安全，在低温胶和玻璃纤维带选定的前提           图.1    D形线圈和它的截面图下，必须采用合理的真空压力浸渍（VPI）方法使得超导磁体与线圈盒成为一整体，同时控制绝缘层中富胶层和最大气泡尺寸。本文主要设计试验探求低温超导托卡马克HT-7U中纵场磁体线圈的绝缘层真空压力浸渍（VPI）的工艺参数，并确定工艺路线。

 

二、       氧胶的常温参数

HT-7U磁体中用的胶由环氧树脂（双酚F）、增韧剂（一种小分子环氧树脂）、 固化剂三组份按60：40：21混合组成。胶的性能如表1中，混胶后胶的

序号	项              目	单 位	测 试 条 件	测   试   值
1	密               度	g/cm3	250C	1.2
2	凝   胶   时    间	小时	780C	24
3	固   化   时    间	小时	1300C	12
4	玻   璃  化  温  度	0C	常  态	62
5	热  变  形  温  度	0C	常  态	61
6	饱 和  蒸 气  压	乇	600C	0.03

                                                表1       胶的性能表^[4]

起始粘度在40⁰C时为90.0厘泊，50⁰C时为50.0厘泊，60⁰C时为33.0厘泊，70⁰C时为23.0厘泊，在60⁰C有20个小时的使用期，饱和蒸气压较低，在50⁰C 和60⁰C附近有很好的流动性和渗透性，适用于真空压力浸渍工艺；胶的凝胶温度、固化温度均不太高，便于操作^[2]。

 

 

 

 

 

三、试验

3.1   模拟匝间流动性试验

        由于匝间间隙最小，只有1毫米厚，VPI过程中胶的流动阻力最大，为了了解匝间VPI的可行性，掌握VPI过程中匝间胶流动的参数，设计3.2米的曲折长槽，进行沿紧压玻璃布的隙间流动性试验。

在长610毫米、宽300毫米、上下模均20毫米厚的模具的上模具上开出宽15毫米、深7毫米、长3200毫米的槽，槽型如下图，槽中放置用玻璃丝布带缠

                                 图2     匝间流动性模具

绕的钢条，钢条宽13毫米、厚5毫米（可缠绕1毫米厚的玻璃丝布），槽和钢条加工偏差为+0.05毫米。上模上有14个观察窗。试验时整个模具浸泡在温度可调水浴中。具体的试验数据如表2。该试验表明胶流动速度与温度、真空度、输胶压力、布的松紧程度非常有关，尤其是布的松紧影响最为明显。由文献[3]我们可近似地认为：流速与孔隙率φ值的三次方成正比；也与压力梯度成正比，因而在相同的输入压力下，真空度越高流速越大。试验1流速最大，是因为在四组试验中φ值最大，真空度最高。试验2流速最小，是因为压力梯度比试验3和4小得多，φ值基本相同。该试验也进一步证明以后的真实的磁体VPI要在50⁰C ~60⁰C和3~4个大气压力下输胶，同时在饱和蒸气压范围内尽可能地提高抽口真空度，定为0.10~0.25乇。

试验编号	绕包厚度（mm）	水浴温度（0C）	抽口真空度（torr）	输胶口压力（atm）	流完全程时间（min）
1	1.0	50	0.65	1	63
2	1.2	50	0.65	1	475
3	1.2	50	0.25	3	274
4	1.2	60	0.40	2	182

                  表2      匝间渗流的试验数据

 

3.2   短样试验

进一步了解胶的浸渍性能，判定横向渗透的可行性，掌握胶沿截面方向的浸渍工艺参数：浸渍温度和时间、真空度、加压大小、加压时间等，并在实验的基础之上优化横向工艺参数，为总体工艺参数的优化提供数据。

短样采用20.0 x 20.0方形管钢制造，为了与实际磁体的截面尺寸基本同大小，每饼由十一匝组成，匝间玻璃布厚度1毫米，共十二饼，饼间叠放1毫米厚的玻璃丝布代替原来设计中的玻璃纤维板，以改善浸透性能，十二饼叠放好后饶包8毫米厚的对地绝缘。为了节约用胶量，每根钢管的两端都须密封；为了防止胶从小样的两端渗入，保证胶从四周渗入，小样的两端必须密封，拟采用6毫米厚橡胶垫加上钢板用螺栓旋紧密封，两端头的钢管间用常温固化的环氧树脂密封。小样的长度设计为200毫米，宽度为251.3毫米，高度为282.4毫米。小样的截面尺寸、长度和形状如下：（密封未画出）

                                                                 图3   小样截面和构形图

为了保证两端密封的可靠性，两端面必须保证平整或加工保证平整。

工艺流程：    小样装入浸渍槽预热—— 抽空—— 开始输胶，输胶完毕，再抽空——加压——再抽空——再加压——卸压——出罐、滴胶，拆开观察。

 

 

试验编号	试验真空度（torr）	试验温度（0C）	浸渍时间（min）	浸渍压力（atm）	抽空-加压循环次数
1	0.25	60	180	1	2
2	0.20	60	90	2	2
3	0.15	50	90	2	1

                                      表3       短样试验数据

以上三组试样结果都非常满意，该组试验数据证明了横向浸透的可行性，并认为试验3的参数较优。          

3.3  长样试验

        把长向和横向的浸渍效果联系起来考虑，掌握胶的沿线圈长向的浸渍性能，判定保证横向浸透时长向渗渍的可行性，并提供保证线圈完全浸透的优化的浸渍工艺参数：浸渍温度和时间、真空度、加压大小、加压时间等。

         模拟试样的截面尺寸与小样截面尺寸一致，是由同样的方形钢管做成，先由11根绕包成一饼，再由12饼迭加后绕包对地绝缘层，饼间垫有1毫米厚的玻璃丝布；模拟试样的长度为1000毫米；试样的两端面的密封要求同小样的端面，也采用密封垫和常温固化环氧树脂密封，两模具的端面板用螺钉旋紧密封。

模拟试样的外面要带有模具，试样的模具壁厚均为25毫米（真实线圈盒最薄处的侧板厚为20毫米，这里加上5毫米的密封槽）。试样是上模板，下模具经螺栓螺母连接而成，下模具是焊接的带凸缘的盒形件，接合面上有密封槽（上模板和下模具的密封槽要错开5~10毫米，形成双重密封），两端面由密封垫（保证磁体密封）、密封圈（保证模具密封）、端面压板用螺钉旋紧形成密封，安装好的试样如图4：模具能密封，耐正压、负压，环氧固化后能开模。

                    图4             VPI模拟试样图

 

工艺流程：    长样预热—— 抽空脱气、脱水—— 开始输胶，输胶完毕，再抽空——加压——再抽空——再加压——浸渍完全后，带压升温凝胶——卸压、升温固化——检验。

 

 

 

试验编号	试验真空度（torr）	试验温度（0C）	浸渍时间（min）	浸渍压力（atm）	抽空-加压循环次数
1	0.1	50	200	1	2
2	0.1	60	125	2	2

                                            表4            长样试验数据

长样试验证明了用所选用的胶粘剂为HT-7U的纵场线圈进行VPI工艺的可行性及可靠性，并提供了相应的工艺参数。

3.4   模型线圈的试验

模型线圈的一切参数与真实纵场线圈相同，真实的线圈浸渍长度是4.59米，以真空度为0.1乇，浸渍温度为60⁰C，浸渍压力为不超过4个大气压，浸渍时间15小时等工艺参数浸渍同样大小的模型线圈，呼吸（抽空—加压）4次，升温凝胶、固化。检测绝缘层的电性能，液氦温度下抗拉强度和抗弯强度均符合工程设计要求。

 

四、       结论

以上试验表明VPI过程中，布的松紧度，浸渍温度和时间、真空度、加压大小、加压时间、呼吸（抽空—加压）的循环次数等是非常重要的参数。系列试验也进一步证明以后的真实的磁体VPI一定要带压输胶；同时在不超出饱和蒸气压的情况下，尽可能地提高可用真空度；采用多次呼吸法增强浸润效果。

VPI工艺是造价昂贵的超导线圈制造的最后一道工艺，要求有绝对的可靠性，经过充分研究与试验摸索，以上实验得出的工艺参数经过与真实线圈相同的模型线圈的检验，符合要求，保证国家大科学工程的完成创造了条件。

 

参考文献

 

[1] Wu.S.T,Weng.P.D et al.,”The Project of HT-7U and its Progress”,MT-15,  Oct,1997,Beijing,20-24.

[2]. 崔益民，TOKAMAK超导磁体用VPI浸渍树脂应用性能研究，绝缘材料，2001，2。44~46

[3] 孔祥言，高等渗流力学，合肥，中国科学技术大学出版社，1999。398~400

[4] Dave Evans.Techniques Available for the Vacuum Impregnation of Magnet.IPP,Hefei,November 1999

 

VPI FOR HT-7U TOROIDAL MAGNET COILS

Cui YiMin  Pan WanJiang  Wu SongTao

Institute of Plasma Physics，The Chinese Academy of Sciences(230031)

 

Abstract

In this paper ,it is introduced how to find the VPI(Vacuum Pressure Impregnation) technological parameters of the Cryogenic superconducting magnet coils in HT-7U and to decide the technological process by the  flow experimental studies of epoxy resins in turn-compressed glass-fiber tape and short experimental model and long experimental model, and the technology feasibility is tested by electric properties and cryogenic mechanics properties data of model coil .

Key Word:     HT-7U             Cryogenic superconducting magnet           Toroidal  magnet coil             VPI  

 

 

 

 

 

 

图1    D形线圈和它的截面

Figure  1    The D shape coils and its section

 

图2     匝间流动性模具

Figure  2    The mold for fluid in porous media of turns

 

图3   小样截面和构形图

Figure  3    Short  VPI experimental sample and its section

 

图4             VPI模拟试样图

Figure  4     Outward appearance of long VPI experimental sample and its mold

 

表1       胶的性能表^[4]

Table  1    Some properties of the resin^[4]

 

表2      匝间渗流的试验数据

Table  2  Experimental data of fluid  in turns

 

表3       短样试验数据

Table  3  Experimental data of the short  sample

 

表4            长样试验数据

Table  4  Experimental data of the long sample